ソーラーシステム用直流SPD：タイプ1とタイプ2のアプリケーション 2025

落雷、スイッチングイベント、系統障害による破壊的な電圧過渡現象から太陽光発電システムを保護するための直流SPD。適切なSPDのタイプと設置場所を選択するには、タイプ1とタイプ2のデバイスの重要な違いと、総合的なシステム保護を提供するためのそれらの連携方法を理解する必要があります。この詳細なガイドでは、効果的な直流SPD保護の実装について、太陽光発電の設計者や設置者が知っておくべきことをすべて網羅しています。.

雷は太陽光発電設備にとって最も深刻な脅威であり、数百万ボルト、数千アンペアの直撃雷はインバーター、モジュール、その他の機器を即座に破壊することが可能です。近くに落雷があっても、過渡エネルギーのアンテナとして機能するPVアレイの導体との電磁結合により、有害な誘導サージが発生します。.

太陽光発電のための直流回転数を理解する基礎知識

DCのSPDが保護するもの

太陽光発電システムは、保護を必要とする複数のサージ脅威に直面しています。アレイや近隣の構造物への直接落雷は、電気システムに莫大なエネルギーを注入し、数百メートル離れた間接的な落雷は、導体と結合する電磁界を通じて有害な電圧を誘発します。ユーティリティ・グリッドの運用によるスイッチング過渡現象は、エネルギーは低いが頻繁な電圧スパイクを発生させ、時間の経過とともに累積的に機器を劣化させます。.

屋上アレイは高い位置にあるため、落雷の影響を特に受けやすい。高い建物や開けた場所にあるアレイは、地上の電気機器よりも高い確率で落雷する。アレイとインバーター間の長い直流導線は、直撃エネルギーと近傍の落雷による電磁誘導過渡現象の両方を集めるアンテナとして機能する。.

直流サージ保護は、直流システム特有の特性により、交流保護とは異なります。直流アークは、ACアークのように電流ゼロ交差で自然消滅しないため、追従電流遮断機能が強化されたSPDが必要です。最新の太陽光発電システムにおける高い直流電圧（一般に600V～1500V）には、ACシステムではめったに遭遇しない極端な電圧レベルに定格されたSPDが必要です。.

SPDプロテクションの仕組み

SPDは、サージ発生時に保護対象機器に到達する電圧を制限することで機器を保護します。通常の状態では、SPDは非常に高いインピーダンスを示し、回路への負荷を最小限に抑えます。サージ電圧がSPDのしきい値電圧を超えると、デバイスは低インピーダンスに移行し、保護対象機器に到達する前にサージ電流を安全にグランドに迂回させます。.

SPD の主要な性能パラメータは、クランピング電圧（サージ発生時に保護対象機器の端子に現れる最大電圧）です。クランピング電圧が低いほど保護性能は向上しますが、公差が厳しく、より洗練された保護素子を備えたSPDが必要になります。クランピング電圧は、誤作動を防ぐために通常の動作電圧よりも十分に高く保ちながら、機器の絶縁レベル以下に保たなければなりません。.

金属酸化物バリスタ（MOV）は、サージ時に劇的に減少する電圧依存抵抗を使用し、ほとんどのソーラーDC SPDの基礎を形成しています。シリコンアバランシェダイオードは、MOVよりも応答が速く、電圧クランピングが厳しいが、デバイスあたりの処理エネルギーは少ない。ガス放電管（GDT）は電流処理能力は高いが応答が遅く、複数の保護段を備えたハイブリッドSPD設計でよく使用される。.

重要な洞察： SPD保護は、単一のデバイスがすべてのサージを阻止するわけではありません。効果的なソーラー保護では、複数の場所にSPDを協調して設置し、徹底的な防御を行います。各SPDはその場所に適したサージを処理し、上流のデバイスが高エネルギーの脅威を管理し、下流のデバイスが細かい保護を提供します。.

タイプ1とタイプ2のSPD分類

IEC 61643-31 分類システム

IEC 61643-31は、太陽光発電システム用の標準化されたSPDの分類を定めており、試験された電流処理能力と意図された設置場所に基づいて、タイプ1、タイプ2、タイプ3のデバイスを定義しています。この分類システムは、設計者が太陽光発電設備内のさまざまな位置に適切なSPDを選択するのに役立ちます。.

タイプ1のSPDは、直撃雷電流パルスをシミュレートした10/350μsの電流波形で試験を受けます。これらのデバイスは、導体あたり通常 25kA ～ 100kA という非常に高いエネルギー含有量の試験電流を処理する必要があります。タイプ 1 の指定は、SPD が直撃雷エネルギーに耐えることを示すため、これらのデバイスは、直撃エネルギーが現れる可能性のあるサービスエントランスやアレイ起点への設置に適しています。.

タイプ2のSPDは、間接的な雷またはスイッチング過渡現象による誘導サージ電流を表す8/20μs波形で試験します。試験電流は10kAから40kAで、タイプ1より大幅に低いですが、上流の保護素子を通過したサージから保護するには十分です。タイプ 2 のデバイスは、インバータやその他の敏感な電子機器の前に最終的な保護段階を提供する機器の場所に設置されます。.

分類	テスト波形	代表的な電流	主な所在地
タイプ1	10/350μs	25-100kA	サービス・エントランス、アレイ・オリジン
タイプ2	8/20μs	10-40kA	機器の位置、インバーター入力
タイプ3	コンビネーション・ウェーブ	1-10kA	個別設備、特殊用途

応募に基づく選考基準

SPDのタイプは、単に最高ランクのものを選ぶのではなく、設置場所と予想される脅威レベルに基づいて選択する。タイプ1のSPDはタイプ2のSPDよりもコストが高く、設置場所によっては必要ない場合もある。システムの設置場所ごとの脅威レベルを理解することで、コストと効果のバランスを考慮した最適な保護が可能になります。.

アレイの起点にあるメインDCコンバイナは、アレイが直撃に弱い露出した場所に取り付けられる場合、通常タイプ1のSPDが必要です。これらのポイントは、導体や他の機器から減衰する前に最大のサージエネルギーが現れる最初の保護段階です。アレイの起点にあるタイプ1のデバイスは、下流の配線や機器を壊滅的な直撃エネルギーから保護します。.

インバータのDC入力には、一般にタイプ2のSPDが使用され、高感度電子機器の最終保護段階を担っている。サージエネルギーがインバータに到達する頃には、上流の導体インピーダンスとタイプ1のSPDにより、脅威レベルはタイプ2のデバイスが適切な保護を提供する範囲まで低下している。すべての場所にタイプ1のデバイスを設置することは、保護効果を向上させることなく費用の無駄となる。.

⚠️ 重要： SPDの選定や配置を誤ると、グランドループの発生、ノイズの混入、保護協調不良の発生など、保護性能を悪化させる可能性があります。脅威の評価、SPDの能力、および設置の経済性のバランスを考慮した体系的な設計アプローチに従ってください。.

太陽光発電システムの DC SPD 保護ゾーンを示す図。タイプ 1 のサージプロテクタがアレイのコンバイナーとメインディスコネクトにあり、高エネルギーのストライキを処理し、タイプ 2 の SPD がインバーター入力にあり、最終的な機器保護を提供する。

タイプ1 SPDアプリケーション

アレイ・コンバイナーとストリング・ボックス

アレイコンバイナーは、露出したPVアレイと建物の電気系統が交差する重要なタイプ1のSPD設置箇所である。コンバイナーは複数のストリング回路を1つの筐体に集めるため、多くの場合、屋外に設置され、露出した場所に設置される。そのため、直撃雷や近隣の落雷による誘導サージの影響を受けやすい。.

非接地PVシステムの場合は3極（正極、負極、接地）構成、しっかり接地された負極システムの場合は2極（正極、接地）構成で、アレイコンバイナーにタイプ1 SPDを設置する。各電柱には、雷暴露評価に基づく適切な定格電流が必要である（雷暴露が中程度の場所では1本あたり最低25kA、雷活動が活発な場所では50kA以上）。.

過電流保護と SPD の設置を調整し、ヒューズまたはブレーカがサージ時に通常の SPD 動作を妨げることなく SPD 回路を保護するようにする。NEC 690.35 要件に基づく短絡回路保護では、通常、SPD 回路に 15～20A のヒューズまたはブレーカーが使用される。一部の SPD は、外部過電流保護なしで故障したデバイスを分離するサーマルディスコネクタを内蔵しています。.

物理的な取り付け位置は、SPD の有効性に大きく影響します。SPDを保護対象機器にできるだけ短いリード線で取り付ける。SPDと機器間の長い配線はインダクタンスをもたらし、高速上昇サージ時の電圧オーバーシュートを許して保護を劣化させる。SPD の端子は、導線を介さずに保護対象機器の端子に直接接続するのが理想的です。.

メイン DC ディスコネクトの位置

アレイ出力全体を制御するメインDCディスコネクトは、タイプ1 SPDの適切な設置場所となります。これらのポイントは、通常、アレイコンバイナとインバータ機器室の間に位置し、NEC690.35で回路導体が特定の長さを超える場合にサージ保護が特に義務付けられている建物入口ポイントに相当します。.

メインディスコネクトのタイプ1 SPDは、アレイコンバイナSPDを補完する冗長保護を提供し、多重防御を実現します。2つのステージは雷エネルギーを共有し、アレイSPDがほとんどのエネルギーを処理し、メインディスコネクトSPDがバックアップ保護と、インバータまたはACシステム方向からDC回路を経由して侵入するサージに対する保護を提供します。.

導体長が短い住宅設備では、メインディスコネクトが唯一のタイプ 1 SPD 設置ポイントになる場合があり、アレイ保護と建物入口保護の両方の役割を果たします。導線の長さが短く、雷への露出が中程度の場合は、シングルポイント保護で十分です。露出度の高い場所や導体長が長いシステムでは、複数のタイプ 1 SPD を設置するのが効果的です。.

メインディスコネクトSPDの設置は、ストリングやコンバイナーの位置と比較して、この位置の連続動作電圧が高いことを考慮する必要があります。複数のストリングを並列に接続すると、コンバイナ出力の電圧リップルは低減されますが、メインディスコネクトではアレイの最大電力点電圧がフルに使用されます。SPDの早期劣化を防ぐため、システムMPP電圧を超える最大連続動作電圧（MCOV）定格のSPDを選択します。.

地上設置型アレイの保護

オープンフィールドに設置された地上設置型アレイは、特に雷雨の頻度が高い地域では、極端な雷暴露に直面する。このような施設では、アレイ列のコンバイナーにタイプ1のSPDを設置し、さらにメインアレイの集電ポイントに追加保護を設置することが有効です。分散型保護アプローチは、単一のSPDへのエネルギー集中を制限し、システム全体の生存性を向上させます。.

特に周囲の地形より上に伸びているアレイについては、地上アレイの位置に雷用エアターミナル（従来の避雷針）を設置することを検討する。直接大地接地を備えた適切に設計されたエアターミナルシステムは、落雷の一部をPV機器に到達する前に遮断する。しかし、エアターミナルが保護するのは直接遮断のみであり、SPD保護が必要な近隣の落雷による誘導サージを除去することはできない。.

導体の配線は、接地アレイのサージ脆弱性に影響します。DC導体をアレイ接地システムに結合された金属コンジットに配線し、電磁誘導サージを低減するシールドを形成する。電線管が不可能な場合は、プラスとマイナスの導体を束ねて、電磁界と結合するループ面積を最小にします。大きな導体ループはサージエネルギーの受信アンテナとして機能する。.

タイプ2 SPDアプリケーション

インバーターDC入力保護

インバータのDC入力は、最も重要なタイプ2 SPDのアプリケーションポイントである。インバータの電子回路、特に最大電力点追従回路やDC-DCコンバータは、過電圧による損傷に非常に敏感な低電圧半導体を備えています。インバータ入力のタイプ2 SPDは、これらの脆弱なコンポーネントを保護する最終的な保護段階を提供します。.

タイプ2のSPDは、インバータに給電するジャンクションボックスやコンバイナではなく、インバータのDC端子に直接取り付けてください。SPDとインバータ間の導線の長さが、高速サージ電流時に誘導電圧の上昇を引き起こすのを防ぎ、保護対象の機器に直接電圧をクランプすることが目的です。最近のインバータの多くはSPDを内蔵しており、SPDの外付けが不要です。.

インバータは、条件によってMPPT最低電圧から開回路電圧までさまざまな直流電圧で動作するため、タイプ2のSPD定格電圧は慎重に選択してください。SPDの最大連続動作電圧(MCOV)は、インバータ回路を保護するのに十分な低いクランプ電圧を提供しながら、あらゆる条件下でインバータの最大入力電圧を上回る必要があります。このバランスには、温度補正された最大VOCを考慮した慎重な仕様が必要です。.

大規模な設備では、複数のインバータにそれぞれ個別のタイプ 2 SPD 保護が必要です。メインのDCディスコネクトにある単一のSPDでインバータをまとめて保護しても、そのポイントから個々のインバータまでの導線に電圧上昇が発生し、SPDの有効性が損なわれるため、十分な保護は得られない。必須保護コンポーネントとして、すべてのインバータにタイプ2のSPDの予算を計上してください。.

🎯 プロのアドバイス： サージ保護に関するインバータの保証要件を確認してください。損傷が発生し、不十分なSPD保護が見つかった場合、多くのメーカーは保証を無効にします。保証期間中、適切な保護が行われていることを証明するために、SPDの設置状況を写真と仕様書で記録してください。.

コンバイナーボックス二次保護

アレイコンバイナには通常、一次保護としてタイプ1のSPDが装備されているが、露出度の高い設備では、補足的にタイプ2のデバイスを使用することで、さらに安全マージンを確保することができる。コンバイナ出力のタイプ 2 SPD は、タイプ 1 SPD の能力を超えるサージや予期しない経路から侵入するサージから保護する。この冗長保護は、システムの信頼性を大幅に向上させる一方で、コストは比較的少なくて済む。.

コンバイナでのタイプ1/タイプ2の組み合わせは、サージ発生時にデバイスが互いに喧嘩しないように適切な調整が必要です。タイプ 1 とタイプ 2 の SPD 間には少なくとも 10～15 メートルの導線を確保し、連携に十分なインピーダンスを確保するか、または近接した連携動作専用に設計された SPD を使用してください。調整が不適切な場合、SPDが早期に故障し、保護効果が低下します。.

複数のインバータに給電するコンバイナ設備では、コンバイナ出力にタイプ2のSPDがあり、さらに各インバータ入力にタイプ2のSPDが追加される。コンバイナーレベルの保護は分岐回路を保護し、インバーターレベルの保護は局所的な防御を提供する。この多段アプローチは、SPDが複数の保護レベルに現れる商用AC配電システムのベストプラクティスを反映したものである。.

監視・通信回路

PVシステムに接続される監視システム、気象観測所、通信機器には、最新の電子機器の感度に見合ったサージ保護が必要です。低電圧データ回路用に設計されたタイプ2のSPDは、監視ケーブルを介して結合するサージからこれらの脆弱なコンポーネントを保護します。イーサネット、RS-485、アナログセンサー回路はすべて、適切なサージ保護が必要です。.

通信回路用SPDは、屋外のセンサー／機器と屋内の監視システムとの間のインターフェースに設置される。アレイと監視室の間を通るケーブルは、監視電子機器に侵入するサージエネルギーを集めるアンテナの役割を果たし、ネットワークカード、データ収集システム、コンピューターを破壊します。PV機器にはダメージを与えないような小さなエネルギーのサージでも、繊細な通信電子機器を破壊する可能性があります。.

SPDの接地と機器の接地を調整する。接地電位差が保護された機器にサージ電流を流さないように、特定の場所にあるすべてのSPDは同じ接地点を参照すること。リモート機器がローカル接地電極を使用する場合は、ケーブルの両端に通信回路用SPDを設置し、大地を流れる雷電流による電位差を均等化する。.

太陽光発電アプリケーションの設置場所のエネルギー暴露調整要件と定格電圧の選択に基づいてタイプ1とタイプ2を決定するDC SPD選択のための決定木フローチャート

SPDの設置条件

適切なアース接続

SPD の効果的な動作は、接地が適切であるかどうかに完全に依存します。SPD はサージ電流を接地へ迂回させるため、保護性能には低インピーダンスの接地接続が不可欠です。SPD の接地端子はすべて、可能な限り短い導線を使用してメインシステムの接地電極に直接接続してください。長い接地線、コイル状の接地線、または回路状の接地線は、サージ発生時に電圧上昇を許して保護を劣化させるインピーダンスをもたらします。.

NEC690.35は、NEC250.166に従ってSPD接地導体のサイズを決定することを要求しており、通常、タイプ2のSPDでは最小14AWG銅線、タイプ1のデバイスでは最小6AWGです。しかし、コードの最小値を満たしたからといって、最適な性能が保証されるわけではありません。露出度の高い場所に設置する場合は、タイプ2の場合は10 AWG、タイプ1の場合は4 AWGを考慮してください。サージ電流の取り扱いを改善するためには、多少コストが高くても価値があります。.

SPDの接地は、PV機器の接地と同じ電極システムに接着する。異なる場所に複数の接地があると、サージ発生時に接地電位差が生じ、接地ポイント間の機器にサージ電流が流れます。単一の共通接地システムにより、すべての機器とSPDが同じ電位を参照するようになり、機器間のサージ電流がなくなります。.

SPDの接地導体に急激な曲げを加えないこと。曲げによって誘導インピーダンスが生じ、サージ電流の急上昇時に電圧降下が増加する。配線の方向を変える必要がある場合は、緩やかなカーブを作る。ストラップは、同じ断面の丸線よりもインダクタンスが低いためです。.

⚠️ 重要： SPDの性能には、接地抵抗よりも接地インピーダンスの方が重要である。25Ωの抵抗を持つ接地電極だが、短い直線導線は、10メートルのコイル線を通して到達する5Ωの抵抗電極よりも優れたSPD性能を提供する。.

リード長の最小化

SPD と保護対象機器間の導線の長さは、保護性能に決定的な影響を与えます。1 メートルの導線ごとに約 1μH のインダクタンスが発生し、典型的な雷サージの上昇時間である 1kA/μs のサージ電流 di/dt 時に 1 メートルあたり約 1kV の電圧上昇を引き起こします。この電圧上昇はSPDのクランプ電圧に加算され、保護性能を低下させるか、あるいはSPDが動作しているにもかかわらず保護対象機器を損傷させるのに十分な電圧を発生させます。.

SPDは、可能な限り保護された機器端子から0.5m以内に設置してください。このため、SPDを離れた壁面ではなく、機器の筐体内部やすぐ隣のジャンクションBOXに取り付ける必要がある場合があります。近接設置の不便さは、保護効果を大幅に向上させるために価値があります。.

SPDと機器の分離が避けられない場合は、SPDのプラスとマイナスのリード線にツイストペア配線を使用し、磁気ループ面積を最小にします。導体をツイストすることで、順方向と逆方向の電流経路がほぼ同じ空間を占めるようになり、磁界がほぼ相殺されるため、インダクタンスが減少します。わずかな距離でも離れた平行導体は、比例してインダクタンスが高くなり、ループ面積が大きくなります。.

一部のSPDメーカーは、従来のワイヤーではなく、平らな銅バスバーやストラップ接続用に設計された低インダクタンス接続端子を提供しています。これらのシステムは寄生インダクタンスを最小化するため、過度の電圧上昇を起こすことなく、保護対象機器から少し離れた場所にSPDを取り付けることができます。SPDの近接取り付けが困難な重要な設備には、このようなプレミアム設計をご検討ください。.

切断と表示機能

SPDは、蓄積されたサージエネルギーへの曝露や部品の経年劣化によりいずれ故障し、交換が必要になります。高品質のSPDには、動作状態を示す視覚表示（通常、SPDの健全性を示す緑色LEDまたはインジケータ、交換が必要なSPDの故障を示す赤色インジケータ）が組み込まれています。定期保守の際にインジケータを確認し、故障したSPDを特定することで、機器の損傷を未然に防ぐことができます。.

熱遮断機能により、故障したSPDを自動的に隔離し、SPDコンポーネントの故障による火災の危険を防止します。故障したMOVは、オープン故障ではなくショートすることがあり、過電流を流してエンクロージャの火災を引き起こすことがあります。サーマル・ディスコネクタは高温を感知し、発火する前に故障したSPDエレメントを機械的に分離します。NEC 690.35(B)では、太陽光発電システムのSPDにディスコネクト機能を要求しています。.

サーマル・ディスコネクタがデバイスに内蔵されていない場合は、SPDに外部過電流保護を取付けます。一般的に 15～20A のヒューズが、サージ電流処理を妨げることなく SPD 回路を保護します。ヒューズ定格は、調整テスト中に SPD が通過する最大インパルス電流を上回る必要がありますが、SPD が故障した場合に信頼性の高い短絡回路保護を提供します。一部の管轄区域では、SPD 回路の安全な交換を可能にするために、ロックアウト／タグアウト対応の遮断手段を要求しています。.

遠隔監視機能は、頻繁な現場訪問が現実的でない大規模または遠隔地の太陽光発電設備で威力を発揮する。ネットワーク接続機能を備えた高度なSPDは、ビル管理システムや監視システムに動作状況を報告し、故障が発生した場合にアラートを生成します。この機能により、次回の定期メンテナンス時に故障を発見するのではなく、SPDの迅速な交換が可能になり、継続的な保護が維持されます。.

NEC 690.35 準拠

SPD設置の必須条件

NEC 690.35(A)は、回路導体が保護対象機器から特定の距離を超える場合、太陽光発電システムの直流回路にサージ保護装置を義務付けている。この規格は、導体走行によりサージ収集の可能性が大きくなる場合に保護を義務付けることで、雷によるサージ損傷を低減することを目的としています。これらの要件を理解することで、検査の不合格を回避することができます。.

直流回路導体がPVアレイから2m以上離れているシステムでは、2020年NECに従ってSPDによる保護が必要である。この比較的短い距離は、マイクロインバーターシステムを除くほぼすべての太陽光発電設備に直流SPDが必要であることを意味する。アレイ取り付け位置のすぐ下にインバーターがある住宅用アレイでさえ、電線管の配線経路の関係で2メートルを超えることが多い。.

SPDは、直流回路上の最初にアクセスしやすい場所に設置する必要がある。多くの設備では、アレイのコンバイナや建物の入り口にあるメインのDCディスコネクトがこれに該当する。システムによっては、最初にアクセス可能な場所としてインバータ入力にSPDを設置する場合もあるが、ベストプラクティスでは、アレイの場所にSPDを追加して複数の保護段を設けることが多い。.

タイプ1とタイプ2の要件

NECは、タイプ1とタイプ2のSPD要件を明確に規定しておらず、代わりにUL 1449やIEC 61643-31などの適切な規格を参照している。しかし、690.35(D)では、設置場所と予想される脅威に基づいて特定のサージ電流定格を要求している。事実上、直接雷にさらされる場所にはタイプ1の機能が必要であり、機器設置場所にはタイプ2のデバイスを使用することができる。.

本規定では、場所と用途に適したSPD定格を要求しているが、具体的な定格は工学的分析に基づく設計者の判断に委ねられている。このような柔軟性により、設置場所に応じた保護設計が可能になりますが、同時に設計者は脅威を適切に評価し、適切なSPD定格を指定する責任を負うことになります。不十分なSPD定格による保護不足は、機器の損傷が発生するまで検査で発見されることはありません。.

法令に適合するために必要なSPDの定格について、管轄当局（AHJ）の解釈は様々です。ある管轄区域では、あらゆる場所でタイプ1のSPDを要求する一方、機器の位置で適切に設計されたタイプ2のアプリケーションを受け入れるところもあります。設計の早い段階で、地元の電気検査官とSPDの設計方法について話し合い、予想外の要件による費用のかかる変更注文や設置の遅延を回避してください。.

リスティングとラベリングの要件

NEC 690.35(C)は、SPDがアプリケーションに適合していることを要求している。一般的なSPDの場合はUL 1449に、太陽電池専用デバイスの場合はIEC 61643-31で評価された製品であることが多い。リスティング要件は、SPDが性能主張と安全特性を検証する第三者試験を受けることを保証する。現場で製作されたサージ・サプレッサや未登録のデバイスは、理論的な妥当性にかかわらず、コード要件を満たしません。.

最大連続動作電圧（MCOV）、電圧保護定格（VPR）またはクランプ電圧、公称放電電流定格（In）または最大放電電流（Imax）など、SPDの定格を適切に表示すること。ラベルは、SPDの耐用年数を通じて恒久的に貼付され、判読可能でなければならない。一部の管轄区域では、太陽光発電システムのサージ保護の一部としてSPDを特定するカスタムラベルの追加を義務付けている。.

SPD 回路の過電流保護は、690.35(B)(2)に従って明確にラベル付けされなければならない。外部ヒューズまたはブレーカで SPD 回路を保護する場合は、これらの保護デバイスの機能および適切な交換定格を示すラベルを貼付する。これにより、SPD を保護できなかったり、適切なサージ調整の妨げとなったりする可能性のある、誤った過電流デバイス定格への不慮の交換を防ぐことができる。.

SPDの調整と保護レベル

マルチステージ保護設計

包括的なソーラーシステム保護は、複数のSPDステージを採用し、徹底的な防御を実現する。一次保護は通常、高エネルギーの直撃電流に対応するタイプ1のSPDをアレイの起点に配置します。二次保護では、機器の設置場所でタイプ2のSPDを使用し、繊細な電子機器に細かいクランプ電圧を提供します。各ステージは、その場所に適したサージに対応し、エネルギー内容はステージを通して徐々に減衰します。.

ステージ間の適切な調整には、適切な導体インピーダンスの分離か、意図的に調整されたSPDの設計が必要である。タイプ1とタイプ2のSPDが近接しすぎて設置されている場合、両者間の導体インピーダンスが低いため、電圧の低いタイプ2のデバイスが先にクランプしてしまい、定格を超えるエネルギーを扱わざるを得なくなり、早期故障の原因となることがあります。ステージ間の導線を少なくとも10～15メートル確保するか、近接調整用に特別に設計されたSPDを使用してください。.

メーカーによっては、タイプ1とタイプ2のデバイスが近接しても連動するように特別に設計された、連携SPDシステムを提供しています。このようなシステムでは、クランプ電圧と電流制限特性が慎重に選択されたSPDが使用され、タイプ1のデバイスが最初に作動してサージエネルギーの大部分を処理します。建物のレイアウトによりステージの分離が困難な場合は、これらのプレミアムシステムをご検討ください。.

エネルギー処理の段階は、高エネルギー対応のタイプ1デバイスから、低エネルギーだがクランプのきついタイプ2デバイスへと移っていく。タイプ1のSPDは比較的高い電圧でクランプし、800Vから1500Vが典型的で、損傷することなく大きなエネルギーを扱うことができます。タイプ2のSPDはより低い500V～1000Vでクランプし、タイプ1のデバイスがサージエネルギーを管理可能なレベルまで低減した後、より優れた機器保護を提供します。.

バックアップ保護に関する考察

サージ発生時にSPDが故障すると、バックアップ保護がない限り機器が脆弱な状態になる可能性があります。重要な場所、特に高価なインバータや複雑な監視システムに冗長SPDを設置することで、プライマリSPDが故障した場合でも継続的な保護が可能になります。機器の場所にタイプ2のSPDを追加するコストは比較的低いため、無防備なサージにさらされた後の機器の交換コストと比較して、価値があることがよくわかります。.

SPD 回路の過電流保護は、故障した SPD を隔離することでバックアップ保護を提供します。SPD が短絡故障すると、過電流デバイスが動作して故障したデバイスを取り除きます。しかし、このバックアップは、SPD故障の原因となるサージから保護するには遅すぎます。過電流保護は火災の危険や連続故障を防止しますが、適切な定格の初期SPD保護に取って代わるものではありません。.

ストリング回路では、PVモジュール専用の追加保護を提供するサージ定格ヒューズのような補助的な保護素子を検討する。標準的なPVヒューズは過電流状態からモジュールを保護しますが、サージ定格ヒューズはコモンモードサージからモジュールを保護する限定的な過電圧保護も提供します。この補助的な保護は、SPD 保護を置き換えるのではなく、SPD 保護を補完するものです。.

よくある設置の間違いと規約違反

DCアプリケーションでのAC定格SPDの使用

問題だ： 直流能力を検証することなく、直流太陽光発電用途に交流定格のみのSPDを設置すること。.

よくあるシナリオ：
- AC定格電圧がDCシステムに適用されると仮定した場合
- PV設置における標準的なビル用AC SPDの使用
- SPDラベルのDC定格を確認しない

訂正する： IEC 61643-31 または UL 1449 DC 定格に準拠したシステム電圧レベルで、DC サービス用に明確に定格された SPD を指定してください。AC サージ保護と DC サージ保護の要件は大きく異なるため、AC SPD には DC サービスに必要な追従電流遮断機能がなく、致命的な故障が発生する可能性があります。設置されるすべてのSPDが、特定のアプリケーションに適切なDC電圧および電流定格を備えていることを確認してください。.

❌ 過大なSPD-機器間リードの長さ

問題だ： 接続導線が長く、保護対象機器から離れた場所にSPDを設置すること。.

よくあるシナリオ：
- インバーターから離れた場所にSPDを壁掛けすることで、すっきりとした外観を実現
- SPDの機器端子への直接設置ではなく、ジャンクションボックスへの設置
- SPDリード線をストレート接続ではなく、複雑な電線管経路に通す

訂正する： SPDは保護対象機器から0.5m以内に取り付け、できるだけ短いリード線を使用してください。導線が1メートル長くなるごとにサージ時の誘導電圧上昇が加わり、保護効果が低下します。設置の美観よりも保護性能を優先させる - 機器保護を大幅に向上させるためには、SPDを近接設置することで多少雑然とした設置も受け入れる価値があります。.

❌ 不適切または欠落した接地接続

問題だ： 不適切な導体サイズ、過剰な長さ、または複数の個別の接地電極を使用したSPD接地接続。.

よくあるシナリオ：
- 最適な太い導線の代わりに、最小限の規格のワイヤーサイズを使用する。
- 最短の直接ルートではなく、迂回するグラウンド経路を作る
- 異なるSPDを別々の電極に接地するとグランドループが発生する

訂正する： タイプ2のSPDには最小10AWGを、タイプ1の機器には4AWGを使用し、共通接地電極システムに直接接続してください。機器間のサージ電流の原因となる接地電位差を防ぐため、すべてのSPDと機器を単一電極システムに接続してください。誘導インピーダンスを丸線より下げるために、高級な設置には平らな銅ストラップを考慮すること。.

ɴ SPDステータスの監視または保守なし

問題だ： 状態表示機能のないSPDを設置したり、動作状態を確認しないこと。.

よくあるシナリオ：
- SPDがシステムの寿命を通じて継続的な保護を提供すると仮定した場合
- SPDステータスインジケータの定期点検は行わない
- 故障したSPDが何年も交換されずにシステムに残っている

訂正する： 運転状態を視覚的に表示するSPDを指定すること。SPDの点検を定期的な保守手順に含める-露出度の高い場所では四半期に一度、中程度の場所では年に一度インジケータを点検する。故障したSPDは、延期せずに直ちに交換する。サージ保護なしで動作させると、次の雷シーズンに高価な機器損傷を招く。重要な設備やアクセスできない設備については、SPDの遠隔監視を検討する。.

特別なアプリケーションに関する考慮事項

浮動式PVシステムと接地式PVシステム

意図的にアースに接続する導体がないフローティング（非接地）PVシステムは、接地システムとは異なるSPD要件に直面する。フローティングシステムでは、プラス、マイナス、アースを同時に保護する3極SPDが必要である。接地型システムの場合、マイナス導体がアースにしっかりと接続されていれば2極の保護回路を使用することができるが、3極の設計の方がより強固な保護が可能である。.

SPDの最大連続動作電圧（MCOV）定格は、システムの接地構成を考慮する必要があります。フローティング・システムは、接地に対してプラスとマイナスの両方の導体に均等に電圧を発生させますが、600V DCシステムの場合、各導体は接地に対して±300Vに達する可能性があります。各導体用のSPDには、この電圧に適したMCOV定格が必要であり、非接地導体に全電圧が発生する接地システムで必要とされるよりも低電圧のデバイスを使用できる可能性があります。.

地絡検出は、接地および浮動システムの両方における SPD の設置と相互作用する。SPD は、動作時に意図的に接地への導電路を形成するため、サージ発生時に地絡検出システムをトリップさせる可能性がある。SPD の存在に適合する GFD システムを選択し、SPD の漏れ電流を上回り、危険な地絡を検出するには十分低い検出しきい値を使用する。.

高電圧システム（>1000V DC）

DC1000V以上で動作する太陽光発電システムは、ユーティリティ・スケールの設備でますます一般的になっており、極端な電圧レベル用に設計された特殊なSPDが必要です。このような電圧では、適切な製品を提供するメーカーが少なくなるため、コンポーネントの入手が困難になります。早期のSPDの仕様決定と調達は、長いリードタイムや限られたベンダーの選択肢によるプロジェクトの遅延を回避する上で非常に重要です。.

高電圧SPDの設置には、より大きな沿面距離とクリアランス距離、偶発的な接触を防ぐ密閉されたSPDモジュール、包括的な警告ラベルなど、より強化された安全対策が必要です。高電圧システムで作業する人員は、標準的な電気資格以上の専門トレーニングが必要である。配線図や高電圧機器特有のメンテナンス手順など、SPD設置に関する文書化を徹底すること。.

高電圧アプリケーション用のハイブリッドSPD技術を検討してください。ガス放電管と金属酸化物バリスタの組み合わせは、GDTの高電圧能力とMOVのタイトな電圧クランピングを提供します。シリコンアバランシェダイオードは、繊細な高電圧電子機器を保護する超高速応答を提供しますが、持続的な電力を処理するには直列並列配置が必要です。高電圧システムの設計については、低電圧の経験から推定するのではなく、サージ保護の専門家にご相談ください。.

極端な雷暴露の場所

年間1平方キロメートルあたり10回以上という非常に高い雷地上閃光密度を持つ地域では、最低限必要な法規制を上回る保護強化が必要となる場合があります。フロリダ、メキシコ湾岸、または山岳地帯にあるユーティリティスケールのアレイは、極端な雷にさらされるため、安全マージンに余裕を持たせた強固な保護設計が求められます。.

極端な露出の場所では、PV電気系統とは別にエアターミナルとダウンコンダクタを備えた外部雷保護システムを検討する。NFPA 780またはIEC 62305に準拠した適切な雷保護システム（LPS）設計は、PV機器に取り付ける前にいくつかのストライクを遮断するが、誘導サージ保護にはSPDが必要である。LPSとSPDシステムは連動し、直撃と誘導過渡の両方に対応する包括的な保護を提供する。.

遠隔監視と迅速なSPD交換プロトコルは、高暴露地域において特に重要である。たとえ故障が観測されなくても、SPDの年次交換の予算は確保しておく必要があります。閾値以下のサージ事象による累積ストレスは、壊滅的な故障が発生するまでSPDの性能を徐々に低下させます。故障を待つのではなく、曝露に基づいて積極的に交換することで、最適な保護が維持され、高価な機器の損傷を防ぐことができます。.

アレイコンバイナーおよびメインディスコネクトにタイプ1サージプロテクタ、インバータ入力および共通接地電極接続にタイプ2 SPDを設置した太陽光発電システムの完全なDC SPD設置概略図

よくある質問

ソーラー用SPDのタイプ1とタイプ2の主な違いは何ですか？

タイプ 1 SPD は、10/350μs 波形、25-100kA でテストされた直撃雷エネルギーに対応し、アレイの起点やサービスエントランスに適しています。タイプ 2 の SPD は、10～40kA で 8/20μs の波形でテストされた誘導サージおよび減衰雷から保護するもので、上流側保護後の機器設置場所に適しています。タイプ 1 のデバイスは、サージエネルギーが最大となる場所に設置し、タイプ 2 のデバイスは、サージエネルギーが導体および上流の SPD によって部分的に減衰された後に、高感度電子機器の最終保護段階を提供します。.

ソーラーシステムのどこにタイプ1とタイプ2のSPDを設置すればよいですか？

露出したPVアレイから導線が発生するアレイコンバイナまたはストリングボックス、および建物入り口のメインDCディスコネクトにタイプ1 SPDを設置する。これらの場所は、直撃または近傍の落雷によるサージエネルギーに最も曝される。インバータのDC入力端子にはタイプ2のSPDを設置し、繊細なパワーエレクトロニクスを最終的に保護する。大規模なシステムでは、コンバイナーとメイン断路器にタイプ1、さらに各インバータにタイプ2を設置することで、3段階の協調保護が可能になります。.

ソーラー・システムにすでにACサージ保護機能が付いている場合、DC SPDは必要ですか？

直流と交流のサージ保護は、システムセクションごとに異なる脅威に対応します。直流SPDは、直流回路から侵入するサージからPVアレイ、ストリング配線、コンバイナー、インバーターの直流入力を保護します。アレイへの落雷や、DC導体にサージを誘導する近傍の落雷には、DC SPDによる保護が必要です。AC SPDは、グリッド接続から侵入するサージからインバータAC出力と建物の電気システムを保護し、DC SPDとは全く異なる保護機能を果たします。.

SPDの交換時期の目安は？

通常、緑色は正常動作を示し、赤色は交換が必要な故障を示す。露出度の高い場所では四半期に一度、それ以外の場所では年に一度、インジケータをチェックする。一部のSPDには、ビル管理システムに状態を報告する遠隔監視接点がある。故障を示すSPDは直ちに交換する。極端に雷にさらされる地域では、明らかな故障がなくても、閾値以下のサージに累積的にさらされると徐々に性能が低下するため、インジケータの状態にかかわらず、5～7年ごとに積極的に交換することを検討する。.

直流600Vと1000Vの両方のソーラーシステムに同じSPDを使用できますか？

いいえ、SPDの定格電圧は、温度補正を含むシステムの最大開回路電圧に一致するか、それを上回る必要があります。600Vのシステムには800V DC定格のSPDが必要かもしれませんが、1000Vのシステムには1200-1500V DC定格のSPDが必要です。定格以下のSPDを使用すると、早期故障を引き起こしたり、保護対象機器に過大な電圧がかかったりします。SPDの最大連続動作電圧（MCOV）はシステムの最大電力点電圧を上回らなければなりませんが、電圧保護定格は機器の絶縁レベル以下でなければなりません。SPDは必ず、適切な安全マージンを持つシステム電圧に明示的に指定してください。.

アレイにタイプ1のSPDを設置せず、インバーターにタイプ2のSPDを設置した場合はどうなりますか？

インバータのタイプ 2 SPD は、通常は上流のタイプ 1 デバイスが処理する高エネルギーのサージにさらされると故障する可能性がある。落雷やその近傍のストライキは、タイプ 2 の定格を超えるエネルギーレベルを注入する可能性があり、SPD の壊滅的な故障を引き起こし、サージエネルギーがインバータに完全に到達することを可能にする。タイプ2のSPDが初期のサージに耐えたとしても、ストレスによって徐々に劣化し、頻繁な交換が必要になります。適切な保護では、高エネルギーが発生する場所にはタイプ1、エネルギー減衰後の最終的な機器保護にはタイプ2というように、それぞれの場所に適切なタイプのSPDを使用します。.

SPDのグラウンド接続は、保護された機器にどの程度近づけなければなりませんか？

SPDの接地導体はできるだけ短く、理想的には1メートル以下で、主接地電極システムに直接接続する。接地導体は1メートルごとに約1μHのインダクタンスが発生し、高速サージ電流時に約1kVの電圧上昇を引き起こします。この電圧上昇はSPDのクランプ電圧に加算され、SPDが動作しているにもかかわらず有害な電圧を発生させる可能性があります。コイルや不必要な折れ曲がりを避け、まっすぐな直接接地経路を使用してください。高級な設備では、インダクタンスを低くするため、丸線ではなく平らな銅ストラップを検討してください。すべてのSPDと機器を単一の共通接地電極に結合し、接地ループ電流を防止する。.

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